【研究意义】广西是中国南方集中连片发育的岩溶地区之一，岩溶面积有9.6×10⁴ km²，占广西总陆地面积的41%^[1]。岩溶地下水资源丰富，地下水以地下河或岩溶泉的形式排泄。枯水期流量在100 L/s的地下河有435条，岩溶大泉有736个，枯季总流量191 m³/s，相当于1.650×10⁷ m³/d^[2]。这些地下河或岩溶泉都形成相对独立的水文系统，地下河出口或泉口是资源开采利用的有利位置。然而，由于埋藏于地下的特点，特殊的地形地质条件导致对岩溶地下水的认识并不如地表水容易，需要专业的团队和技术。【前人研究进展】 20世纪七八十年代，在原国家地质部的领导下，广西境内1:20万的水文地质调查工作覆盖了区内主要的地下河出口、泉口，掌握了重要的水文资料。1999年以来，以中国地质科学院岩溶地质研究所为代表的科研机构对广西部分重要岩溶流域开展1:5万水文地质调查工作，期间主要是对重要水点的流量大小、水质状况进行调查，大致划分了流域范围。其他流域则少有详细的调查和研究工作。随着国民经济的发展，这些资料已不能满足实际需要。【本研究切入点】灵水是广西典型的构造型岩溶大泉，是武鸣盆地流量最大的泉水。自1964年兴建水厂以来，是县城12万人口的唯一供水水源。灵水发育于典型的覆盖型峰林平原区，地下水径流特征不明显。因此，管理部门和当地群众长期以来对灵水岩溶泉的来源、水文地质条件、汇水范围等并不清楚，管理措施只能参照地表水来开展。随着城镇化进程的加快和气候变化等区域环境的影响，灵水岩溶泉的水资源面临一系列的威胁。【拟解决的关键问题】本研究以武鸣灵水岩溶泉为例，论述为认识岩溶水环境的变化所开展的一系列工作及成果，阐释目前水资源管理面临的新问题，并提出建议。

根据地面调查、钻探和物探、现场示踪等试验，结合地层岩性、地质构造和岩溶发育情况，判断水文地质条件。

自2010年起，在灵水岩溶泉出口建立水文水化学观测站，采用GreenSpan CTDP300或YSI 6920自动监测水位、水温、pH值、电导率和溶解氧指标，利用HOBO小型气象站记录降雨量、气温和湿度，监测频率为30 min。灵水流域内其他重要的岩溶泉则采取每季度或偶测水温、pH值、电导率和溶解氧的方法，并同时进行流量测量。对灵水岩溶泉出口以及灵水流域内其它重要泉水进行取样，分析水的阴阳离子和微量元素，时间间隔为季度或者年度；部分年度进行加密取样，取样间隔为每天。此外还进行水样的氢氧同位素、无机碳的同位素取样和测试。2013年至2015年，每季度对灵水泉口沉积物的有机质及其碳同位素进行取样测试，并对浮游植物和浮游动物进行分析鉴定。期间两次取样分析微生物的群落结构。收集武鸣区环保局、水文局和供水公司的水文和水化学分析测试结果。

1:20万水文地质普查认为，灵水湖为地下河出口，补给面积为400 km²，主要由灵水北部的那甲向斜储水构造构成，出口枯季流量为4 000 L/s^[3]。自2009年起，岩溶地质研究所在地理信息系统技术划分地表水流域的基础上，利用盆地内大量水点的水化学、氢氧同位素，确定灵水岩溶泉的补给来源和汇水范围，认为灵水汇水面积为697 km²，以覆盖型岩溶为主^[4]，并划分了灵水的主要含水单元。该研究成果在2009年武鸣县政治协商会议做出专题报告，第一次清晰地给当地政府阐释灵水从哪里来的问题。

覆盖型岩溶的特点是土壤覆盖层相对比较厚，地表岩溶形态如落水洞等较少。灵水含水层中，地下水的运动状态、有无主径流带、从上游到下游地下水运动所需要的时间等都不明确，但污染物或溶质的运移均是受制于地下水运动的。为此，2010年中国地质调查局部署，广西地质调查研究院在武鸣盆地开展1:5万水文地质调查工作，对灵水的形成条件有了更深入的研究，认识了灵水流域地形地貌和水动力条件。因灵水流域内大部分地形较为平缓，平原区的谷地多为第四系覆盖，地下水的水力坡度较小，因此含水岩组没有产生强烈的侵蚀或冲刷溶蚀，推测不利于管道状岩溶的发育^[5-6]。由于碳酸盐岩岩性不纯和相对隔水层的存在，灵水流域内岩溶发育未呈现大的岩溶管道，而是以网状溶洞、裂隙为主。

地面调查结果认为灵水岩溶泉系统由3个块段组成：北西面灵马至林圩岩溶块段(面积216 km²)、北东及北面小明山至仙湖水库碎屑岩块段(面积464 km²)、中部灵水至府城岩溶块段(面积684 km²)^[5]。其中，府城-灵水岩溶块段为灵水泉主要的补给区和径流、排泄区，与前期姜光辉等^[5]的认识一致。因府城-灵水块段对灵水岩溶泉的形成起主导作用，因此后来的研究中均以697 km²的府城-灵水块段作为灵水的流域范围。

灵水泉口实际上是9个泉水集中排泄形成的湖泊，具有2.93×10⁴ m²的水域面积。泉口的形成除受区域水文地质条件的影响外，与泉口周围的局部环境也有关。地表径流的汇入、地表河流的倒灌等对泉口的水文条件有明显的影响。

一般情况下，含水介质包括岩溶管道、裂隙和溶隙、孔隙、缝隙。不同的含水介质对地下水运动的控制作用不同。管道介质为主的含水层，地下水的运动速度高可达1 000 m/d；而裂隙为主的含水介质，地下水的运动速度仅为10~100 m/d^[7]。在地形较为平坦的峰林平原和孤峰丘陵谷地区，洞穴或地下水天然露头少，给含水介质特征的判断带来困难。因此，在灵水主要采取钻探、物探和示踪试验的方法来揭露含水介质的特征。

水文地质调查显示灵水的岩溶管道规模不大，但可能呈带状集中径流的特征。在灵水北部约3 km处，发育多处消水洞及消溢洪洞。为此，在这一带布设5条剖面线开展物探工作。在物探异常处，布设水文地质钻探揭露岩溶发育情况。结果显示，浅部岩溶裂隙发育，抽水涌水量较大，地下水较丰富，推测地下水集中径流带在大路屯南西经过。钻孔验证与物探结果基本吻合，钻孔虽没有揭露到溶洞，但也体现出地下水集中径流带地下水相对富集的特征。

在灵水流域内开展2次人工示踪试验进一步分析岩溶管道特征。人工示踪试验通过投放对环境无毒无害的化学试剂，在下游可能与投放点相通的水点接收，通过计算接收时间和回收率判断地下水的连通状况，是水文地质常用的试验方法^[8]。在大路屯落水洞投放示踪剂，在大路钻孔及落水洞附近的大口井、灵水泉口观察和接收示踪剂。结果表明该地区岩溶发育是比较均匀的，多种含水介质之间的连通性较好。根据峰值出现时间计算示踪剂的运移速度只有17~23 m/d，地下水水动力条件较缓，主管道的可能性不大，存在网络状溶蚀裂隙的可能性更大。

综合分析水文地质调查、物探及钻探、示踪试验结果，认为灵水岩溶泉流域内的岩溶管道结构主要为网络状，没有形成单一的主管道。初步确定灵水北部的集中径流带或岩溶发育带分布，该结论与黄之巍等^[9-10]的结论基本一致(图 1)。之后，笔者等^[11]利用在线监测的电导率频率分布中提取峰的个数和形态，判断含水介质的特征和水源组分，其结果也与上述结论吻合。该径流带的划分，不仅为认识灵水流域内的岩溶含水介质提供条件，也为地下水的开发利用和管理保护提供基础。

图 1 (Fig. 1)

图 1 灵水北面地下水集中径流带分布[11] Fig.1 Distribution of groundwater concentrated runoff zone in the north of Lingshui[11]

水资源量是否稳定是水源地和风景区关注的重要问题。20世纪70年代末，灵水出口的枯季流量达4 000 L/s。2010年起连续测量发现，灵水出口的枯季流量为2 100~4 000 L/s。灵水现阶段的流量与80年代对比，枯季流量减少12.5%~50%，其中灵水2号出口的减少量最大，流量从20世纪80年代占总流量的23%下降到现阶段的12%左右。2018年3月，灵水的流量更是下降到历史最低值，仅为1 180 L/s。盆地内其余泉水也大都存在类似的情况，2010年调查的45个泉水中，有37个流量下降，下降率为3%~97%^[12]。与之形成强烈对比的是，随着城镇化的发展，供水需求却在逐年上升。2010年灵水的年开采量为1 461×10⁷ m³，是1978年开采量的12倍。

地下水资源量的减少与流域内地下水的开采、土地利用变化和气候变化密切相关。流域内快速增长的地下水开采、传统的水土保持林转变为桉树林以及近几年干热的气候条件，可能是导致灵水岩溶泉流量衰减的原因。

水资源量减少还是导致水质变化的主要因素，原因是稀释能力的减弱。此外，人类活动的增强、污染负荷的增加，也是水质恶化的原因。灵水2号出口地下水硝酸盐的含量变化趋势显示(图 2)，20世纪70年代末至今，硝酸盐含量的变化经历3个阶段，从原来的接近零状态上升到现阶段的6.5~10 mg/L。Cl^-、SO₄^2-等也呈明显的升高趋势。地下水的水质恶化极大地威胁了饮水安全。鉴于岩溶地下水动态变化强烈、偶测样品不能反映地下水水质变化的特点，2010年起在灵水湖建立观测站，自动记录水位、pH值、水温、电导率、溶解氧以及硝酸盐等对环境变化敏感的物理化学指标，一直延续至今。自动记录的水化学时间变化不仅可以反映灵水湖的水环境变化，如水温有0.02℃/yr的增加趋势^[12]，也为辅助判断径流来源、过程等提供数据^[11]。

图 2 (Fig. 2)

图 2 灵水岩溶泉的硝酸盐含量变化 Fig.2 Variation of nitrate content in Lingshui Spring

高分辨率的沉积物微量元素记录能大致反映流域生态环境和人类活动的历史变化。为研究灵水湖环境变化的历史和原因，在灵水出口无扰动的情况下采集长度为1 m的沉积柱，利用²¹⁰Pb进行沉积物的定年，并测试铁、铝、铜、铅、锌等14种微量元素的浓度。结果显示，尽管大部分微量元素没有剧烈的变化趋势，但在某些阶段都有波动的现象；1957-2013年，Cu和Zn有明显的增加趋势，并且一些时段的浓度超过标准浓度，与历史上的工业和矿山开采活动的发展有很好的对应关系(图 3)。

图 3 (Fig. 3)

图 3 Cu、Mn、Pb、Zn、Al、Fe与沉积物深度和年代的对应关系 Fig.3 Relationship between Cu, Mn, Pb, Zn, Al, Fe and sediment depth and ages

2010年以来持续观测的水化学表明，灵水的水质评价结果大都属于Ⅰ类地下水，雨季个别时段出现浊度等指标的超标。然而，从2010年夏季开始，灵水湖原本茂盛的沉水植物突然出现大量的死亡现象；至2013年，沉水植物已基本消失。沉水植物消亡不仅导致自然景观发生变化，也引起一系列问题，如浑浊度提高、以沉水植物为食和庇护的鱼等生物的退化、甚至还引起水温升高等问题。

沉水植物和浮游植物都是水生生态系统的重要群落，但它们是竞争关系，而沉水植物的死亡消失可能会引起浮游植物的大量爆发，引起水华等富营养化问题^[13-14]。因此，选择灵水与灵水流域内其他4个流量大的泉水，对比研究浮游植物和浮游动物的群落结构及其与水环境的关系, 发现不同的岩溶泉口环境中，影响浮游生物群落的主要影响因子不同。如春季，亚硝酸盐、溶解氧、温度和pH值是影响灵水浮游植物物种的主要因子；其余季节，总磷、总氮、钙离子、重碳酸根离子、高锰酸钾指数是影响物种分布的主要环境因子。春季，影响罗波潭地下河出口浮游植物群落的主要环境因子是pH值和溶解氧; 秋季，则是电导率、总氮、重碳酸氢根离子等；夏季，总磷、铵离子、高锰酸钾指数发挥的作用则更明显。水生环境的退化除与区域含水层的地下水流动有关外，与泉口的水文地质条件、局部小环境的水文过程、人类活动的影响程度有极大的关系，特别是河流倒灌导致的岩溶地下水与地表水的相互作用对泉口水环境造成很大的影响，为此笔者提出“岩溶洞穴交互带”的概念^[15]，并以武鸣盆地为例，划分洞穴交互带的类型，探讨其环境功能。该问题在水文地质、水环境领域属于前沿科学问题，但尚处于起步探索阶段，是未来需要重点攻关的方向。

另外，笔者所在团队利用沉积物的有机碳及其同位素(δ¹³C_org)、总氮、烧失量、C/N的含量，结合²¹⁰Pb测年，恢复灵水湖过去的水生环境，通过有机碳的来源及同位素等了解灵水湖环境的变化。结果显示，1957-2013年灵水湖环境变化可划分为6个阶段，1960-1990年，降雨量、气温和水位变化是此阶段影响灵水湖的主要因素；1990-2013年，区域尺度的人类活动是导致局部尺度(泉口)环境变化的主要原因^[16-17]，说明水生生态环境的退化是个累积的过程。

环境水体中微生物广泛存在，水媒传播引起的疾病是我国急性传染病中发病数量最多、流行面最广的一类疾病。寻找指示微生物、水环境污染微生物溯源是环境水体微生物关注的重要问题^[18-19]。水文功能弱化、沉水植物消失为主的水生生物功能退化常引发一系列的问题, 除承载稀释、降解污染物的水化学功能减弱外，微生物群落结构可能发生变化。

2015年8月的检测显示，灵水2号出口的微生物以变形菌门为主，占99%。2017年4月，灵水2号出口以拟杆菌门为最大比例的门类，达43.44%；其次是变形菌门和疣微菌门，分别为24.89%和9.4%。同期，位于灵水岩溶泉的观测站处，酸杆菌门为最大的优势门，达44.73%；其次是变形菌门和绿弯菌门。两次分析对比显示，两年内灵水的微生物群落发生了明显的变化。岩溶泉口与受地表河流倒灌影响显著的湖尾的微生物群落结构也有差异。但因前期未有微生物相关的研究，受水文地质条件和人类活动影响的岩溶水体中微生物群落结构如何演化及其对水环境的影响尚不清楚。

因微生物对人体健康的潜在威胁，我国生活饮用水标准(GB 5749—2006)规定总大肠菌群不得检出。2010—2016年的监测显示，尽管大部分时段灵水岩溶泉口都未检出大肠菌群，但偶然检出时却有9~240 CFU/100 mL，显著高于饮用水的标准。大肠杆菌，特别是粪大肠的超标对生活饮用水是个极大的威胁。大肠菌群等微生物的存在不仅恶化水质，威胁饮水健康，微生物群落结构的变化也会影响水环境，如微生物优势群落的变化可能改变食物链的结构，导致鱼类、浮游生物、沉水植物群落结构发生变化^[20]。但微生物与水环境的互作机制是个复杂的问题, 岩溶水系统中微生物群落结构的变化与水环境的关系尚需进一步研究。

河流倒灌进入泉口或含水层在南方岩溶地区是个常见现象。灵水湖与武鸣河仅相距40 m。枯季，灵水泉补给武鸣河；雨季，暴雨期间有可能发生武鸣河倒灌进入灵水泉口的现象。河流倒灌对地下水的水质是个严重威胁，因为地表水的水质往往比地下水差。如对比2009年2月19日和2015年5月13日两次取样，武鸣河的PO₄^3-浓度是灵水的50倍。地表水倒灌进去泉口或含水层，不仅带来暂时的浑浊度提高，也可能会改变地下水的物理化学性质和生物特征^[21]。每年一至几次的武鸣河倒灌使灵水浊度超标，导致水厂停止供水。倒灌发生时，河流带来大量的有机质和污染物质，所带来的悬浮颗粒物会降低泉口交互带的透明度，进而减少沉水植物的光合作用；有机质在不同的环境条件改变时，发生分解，此过程需消耗大量的氧气，导致水体的溶解氧浓度降低，使得水环境向还原环境过渡；沉积物如果携带有毒污染物质，在pH值等条件变化下，可能发生变化，如重金属的活化，进而释放到上覆水体。这些过程不仅影响水体的水质，也会影响水生生态系统的健康生长。

由于灵水的流量减小，水动力变弱，近两年的观测发现，武鸣河倒灌进入灵水的频率增加，且倒灌持续的时间变长。原本暴雨才会产生的倒灌，中雨尺度也可能会发生。倒灌持续的时间由原来的1~3 d，到现在长的可持续5~7 d。河流倒灌的频率增加以及持续时间变长，对灵水岩溶泉口的水环境、甚至整个含水层都会产生更为强烈的交互作用。倒灌发生的阈值、倒灌带来的环境后果、特别是含水层水文和水化学的变化，将成为未来灵水水资源管理的重要依据，同时也是南方岩溶地区类似地质条件下急需关注的问题。

灵水由9个岩溶泉集中排泄形成，是县城唯一的饮用水供水水源地。那甲向斜是主要的储水含水层，中部的府城-灵水岩溶块段为灵水泉主要的补给区和径流、排泄区。灵水岩溶泉流域内的岩溶管道结构主要为网络状，管道规模不大，呈现出带状集中径流的特征。

现阶段灵水的地下水流量在枯季下降25%~50%，硝酸盐为首的污染物经历了3个上升的阶段。地下水的水质和水量的变化与灵水领域内土地利用方式的变化、地下水开采量的快速增加、区域气候变化的影响有密切的关系。

沉水植物消亡后，浮游生物群落结构的变化反映了灵水湖水生生态环境的变化。沉积物的有机碳及其同位素的变化也说明20世纪90年代后人类活动是导致灵水湖泉口环境变化的主要原因。水生环境的变化同时触发水化学功能的弱化，降低污染物的稀释能力、引起水温升高、浑浊度增加等问题。

当自然资源承载力与人类对其的开发利用没有平衡点时，水资源质量恶化的趋势还将继续。当前灵水出现微生物污染、地表河流倒灌愈加剧烈和频繁等尖锐问题，建议加大科研投入，通过创新解决威胁水资源安全的问题。